软硬不均地层盾构隧道荷载模式研究

系统考虑隧道埋深、滑移面形式、侧压力系数与地层的关联,提出一种适用于软硬不均地层的盾构隧道荷载模式。对于浅埋隧道,基于椭球体理论推导极限状态下滑移面为椭圆的侧压力系数及竖向松动土压力表达式,并构建力学平衡方程推导侧压力计算式;对于深埋隧道,考虑软硬不均地层突变性并对太沙基理论滑移面宽度进行合理修正,推导对应的围岩压力计算式;再结合软硬不均地层分界线位于隧道水平中线上方、下方2类典型工况,推导出隧底反力表达式;最后结合工程实例对所提荷载模式进行验证。结果表明:与修正惯用法荷载体系相比,所提方法得到的软土-硬土隧道顶部、下半拱竖向土压力与实测值的误差分别缩小74%和172%;相较于软土-硬土隧道,该方法应用于土层-岩层隧道时,计算得到的下半拱竖向土压力、隧底侧向土压力与实测值的误差更小,即所提荷载计算模式更符合隧道实际受荷状态,且当隧道埋深与开挖直径之比较大以及下部地层越坚硬时,其适用性越强。

高压富水硬岩地层双护盾TBM前置式超前注浆堵水技术研究

晋中引黄输水隧洞双护盾TBM施工穿越高压富水裂隙,掌子面高压大流量突涌水严重,采用常规后置式超前注浆技术对掌子面突涌水进行超前处置效果不佳,主要原因是受外插角影响,采用常规后置式超前注浆存在注浆目标区域受限、钻探效率低、超前注浆控制难度大等问题,难以形成有效的止水帷幕结构。对隧洞水文地质条件、突涌水情况及超前注浆技术进行系统研究分析,提出双护盾TBM前置式超前注浆堵水工艺,通过优化注浆设备,在掌子面处实施超前注浆堵水。开展现场注浆试验,对坚硬岩面钻孔施工、注浆材料、注浆参数控制及注浆段长优化等技术进行研究,并根据现场试验信息,不断优化注浆设备及工艺。通过对晋中引黄输水隧洞实施前置式超前注浆堵水技术,洞内平均出水量降至3 702m~3/d,降幅达75.9%,同时在一定程度上提高了TBM施工效率。实践证明该技术方法有效。

盾构穿越土岩复合地层引起的土体位移研究

为研究土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移规律,基于Mindlin解和随机介质理论推导了隧道施工引起的土体位移计算公式,依托实际工程对地表及深层土体沉降规律进行了计算和可靠性验证。结果表明计算曲线与实测数据相吻合。随硬岩比增大,隧道施工引起的横纵向地表沉降值、横向沉降槽宽度均有所减小;硬岩层会减弱刀盘附加推力(p1)、盾壳侧摩阻力(p2)和土体损失对上部土体变形的影响,但附加注浆压力(p3)的影响将会增大。研究可为盾构穿越土岩复合地层引起的土体竖向位移预测提供参考。

全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理

通过调研重庆轨道交通六号线二期和会展中心支线项目中铁盾构和LOVAT盾构的应用情况,分析盾构使用中出现的中心刀异常损坏、卡盾以及螺旋输送机磨损严重、马达故障频发等问题的主要原因,提出在全断面硬岩条件下盾构掘进需要注意的重点事项,包括改变传统观念、树立硬岩掘进理念、加强刀具管理、合理选择掘进参数、严密控制盾构姿态等,对于从事盾构施工的技术和管理人员不断提升盾构法施工管理水平,真正实现盾构法施工的"3个和谐"具有一定的指导借鉴作用。

硬岩地铁隧道钻爆法开挖结合盾构法衬砌的施工技术

为解决盾构在地铁隧道硬岩插入段中掘进的技术难题,结合广州市地铁3号线大石南-汉市区间的盾构工程项目,采用了如下施工工艺:用钻爆法开挖硬岩隧道并进行初期支护;隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台;盾构机空载推进拼装管片通过;管片背后与初期支护间的空隙利用吹米石与注浆结合进行回填等。这种施工工艺拓展了盾构施工的适用范围,解决了在插入段长度超过100 m、抗压强度达118 kPa的硬岩地层采用盾构掘进的施工难题。可为类似工程施工提供借鉴。

盾构掘进富水硬岩地层管片上浮控制

盾构掘进富水硬岩地层管片上浮事故时常发生,严重影响盾构隧道质量和安全。通过以某地铁工程盾构隧道在富水硬岩段地层中掘进管片上浮控制为背景,首先,分析了富水硬岩地层盾构隧道管片上浮影响因素和成因机制,结合工程经验及本工程实际提出了管片上浮的预控措施;其次,采用ABAQUS仿真软件对本工程管片上浮进行模拟,在此基础上对管片上浮预控措施进行优化;最后,通过实际试掘进控制效果,对预控措施进行了再优化,直至管片上浮被控制在合理范围之内。通过该工程案例,以期为盾构掘进富水硬岩地层管片上浮的控制措施制定提供借鉴与参考。

盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨

研究目的:盾构机目前已广泛应用于各种土建工程领域。利用盾构技术解决地铁工程中长距离硬岩掘进的工程实例不多见。本文主要研究运用盾构机在硬岩段掘进的适应能力以及在硬岩段掘进可能出现的问题和需采取的措施。研究方法:文章通过广州地铁1个长距离硬岩掘进的工程实例,收集施工过程中相关的数据、出现的问题以及所采取的对策等资料,并对这些信息进行分析。研究结果:根据该工程的施工过程得出盾构机在硬岩中的掘进是可行的,出现的问题能够通过采取相应的措施予以克服。研究结论:由于本段硬岩有极细小裂隙且裂隙多被石英细脉充填,因此盾构能够顺利掘进。可以得出结论:只要裂隙发育,即使岩石单轴抗压强度高,可以通过选用适宜的盾构机型、合理地进行刀盘和刀具配置,完全可以顺利地在硬岩中掘进,而且比其它工法掘进速度更高。

城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究——以武汉两湖隧道(南湖段)工程为例

针对超大直径盾构在岩溶强发育区、高黏性土和硬岩地层中的施工难题,依托武汉两湖隧道(南湖段)工程,通过现场勘探资料分析、文献调研以及专家咨询论证,总结归纳工程的施工重难点:1)盾构穿越岩溶强发育区施工风险高,极易发生盾构栽头与塌陷、突涌水等灾害;2)黏性地层盾构易结泥饼,造成盾构推力增大、掘进速率降低等问题;3)硬岩地层盾构刀盘易磨损,刀具易损坏,盾构掘进效率低;4)小曲线半径施工盾构姿态控制困难,导致隧道偏离设计轴线;5)大直径管片易上浮,致使管片错台、破损及渗漏。针对上述重难点问题,分析复杂地质条件下超大直径盾构选型技术,提出超大直径盾构穿越岩溶强发育区地层处理、高黏性地层超大直径盾构泥饼预防与处治、极硬岩地层超大直径盾构施工、小曲线半径盾构姿态控制和管片上浮预防等施工技术。

富水硬岩地层泥水平衡盾构掘进参数的优化分析

泥水平衡盾构穿越富水硬岩地层时,合理的掘进参数是盾构安全高效掘进的基础。依托青岛地铁8号线某区间泥水平衡盾构段项目,分析了盾构穿越富水硬岩地层的总推力及贯入度等参数。对刀具与岩体作用荷载值和刀具荷载设计值进行了计算,提出了盾构掘进参数的优化方案,并分析了优化后的掘进效率。结果表明:总推力可以控制刀盘贯入度,宜优先通过控制总推力增加盾构掘进速度;刀具与岩体作用荷载为4277.87 kN,远小于9528.22 kN的设计荷载值,故可适当增加刀具与岩体作用荷载至设计荷载值的75%;盾构总推力提升至18000 kN后,刀盘贯入度增加,每环开挖耗时较优化前减少了38.7%,施工效率增加了一倍。

硬岩地区盾构掘进地表竖向位移监测数据及数值模拟分析

结合杭州市某盾构掘进实际工程的地表竖向位移监测数据,总结了硬岩地区盾构掘进对周边环境的影响规律,并通过建立合适的数值模型分析了相关掘进参数对盾构掘进的影响,同时分析了不同区域浆体缺失对地表竖向位移的影响。研究结果表明:因边界条件不同、岩土不均匀性、注浆参数控制不当,硬岩地区盾构掘进仍能引起较大的地表沉降;某环掘进方向前后方浆体缺失均会对该环处地表沉降造成一定影响;后方浆体缺失时,临近4环以外浆体缺失造成影响较小,不足临近4环造成影响的10%;前方浆体缺失时,临近9环以外浆体缺失造成影响较小,不足临近9环造成影响的10%;某环掘进方向前方浆体缺失对该环处地表沉降的影响更大,约为后方浆体缺失影响的1.16倍。得到的结论可为类似工程提供参考借鉴。

超载作用下土岩复合地层盾构隧道变形及破坏特征模型试验研究

地面突发堆载诱发运营期内地铁隧道病害的案例屡见不鲜,广州地区地铁隧道建设中常遇洞身上部为软土、砂层,下部为硬岩的土岩复合地层。目前对于局部超载作用下,土岩复合地层中盾构隧道变形与破坏特征并不明确,现行加固标准对于该种特殊地层的适用性也亟待验证。通过1︰5的土箱模型试验,探究不同硬岩比的土岩复合地层中隧道在正上方局部超载作用下的变形规律和破坏模式。试验结果表明:地层硬岩比对局部超载下盾构隧道的位移发展及其分布影响显著,结构的临界失稳荷载等级随着硬岩比增大而提高,结构破坏椭圆度随之减小,硬岩比的增大加强了结构外部围岩的约束作用,显著地控制了隧道椭变,但约束的加强也使结构呈现脆性性状,位移发展速率出现明显突变点;硬岩限制了其范围内管片的内力发展,且土岩交界面上部邻域管片产生应力集中现象,结构首先在此区域发生破坏,且常以贯穿式裂缝形式发展,随着硬岩比增大,结构呈崩角、劈裂等脆性破坏形式;隧道拱顶附加土压力会随结构失稳进入下降阶段,且随着硬岩比增大,软土压缩对地表超载的分散效应减弱,进而导致隧道拱顶附加土压力对地表超载更加敏感;将试验数据与现行加固标准对比分析,发现现行加固标准不适用于高硬岩比土岩复合地层中盾构隧道。研究成果可为加固标准结合地层因素优化提供理论支撑。

广州地铁硬岩段土压平衡盾构掘进施工的对策

广州地铁3号线某盾构区间地质条件复杂,既有极为松软的淤泥质土、砂层,又有坚硬的微风化混合岩、辉绿岩等。分析盾构机在硬岩段掘进中刀具磨损的原因,并主要通过对盾构掘进参数设定、姿态控制、泡沫使用等方面的研究,提出在广州地区硬岩段土压平衡盾构掘进的施工措施。

硬岩地层盾构正面滚刀磨损规律与预测模型

针对盾构机在全断面硬岩地层中掘进遇到的刀具磨损严重的难题,结合青岛地铁6号线朝阳路站—峨眉山路站盾构隧道工程实例,采用多元回归分析的方法分析滚刀安装半径、地层参数、掘进距离与正面滚刀磨损量之间的关系。考虑盾构总推力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度、安装半径、岩石单轴抗压强度和磨蚀性指数等多重变量,构建正面滚刀磨损预测模型,分析不同轨迹正面滚刀的磨损特征,得出以下结论:(1)在800 m的掘进距离内,平均每个刀位换刀3.18次,随着滚刀安装半径增加,单把滚刀的累计换刀次数逐渐增加、平均掘进长度逐渐降低,其累计磨损量呈幂指数增加;(2)正面滚刀平均每延米磨损量随岩石强度增加呈幂指数增长、随磨蚀性指数增加呈指数增长,且拟合相关系数较高,表明以上参数对滚刀磨损有着关键作用;(3)构建的滚刀磨损量计算模型考虑了掘进参数、刀具安装半径、岩石强度和磨蚀性指数等因素,可对硬岩地层盾构正面滚刀磨损规律进行预测,此外,验证了滚刀磨损预测模型的准确性,预测值与实测值误差不超过13%。

全断面硬岩地层盾构掘进问题分析及解决措施

以东莞~惠州城际轨道交通GZH-3标为依托,介绍了盾构在120~150 MPa的全断面硬岩地层中掘进时遇到的盾体被卡、刀具被磨损、管片上浮、错台及管片漏水等问题,同时对其原因进行了具体分析,给出了详细的解决措施;后续施工生产速度及工程质量均取得了良好效果,在类似工程中具有一定的借鉴意义。

地铁硬岩段土压平衡盾构掘进施工对策

结合某地铁盾构段具体情况对盾构掘进施工的对策进行分析,某盾构区间所在位置地质条件恶劣,多为粉质粘土,土质极为松软,岩石为风化严重的闪长岩等。对硬岩区间进行掘进过程中,分析导致盾构机刀具出现耗损的相关因素。同时详细分析预定的指标、出土量控制、泡沫应用等,并指出在该区域掘进采取的施工对策。

硬岩盾构隧道弹性密封垫防水性能研究

为探明硬岩盾构隧道管片接缝处弹性密封垫防水性能,研究依托青岛地铁2号线工程,采用文献调研、理论分析、数值模拟等方式,研究硬岩盾构管片接缝的受力特征及弹性密封垫防水性能。结果表明,管片接缝是盾构隧道防水最薄弱的部位,管片接缝张开是引起弹性密封垫失效的主要原因;随着接缝张开量的增加,弹性密封垫防水性能经历快速降低、缓慢降低和快速失效3个阶段;考虑注浆层对管片的约束作用后,接缝张开量低,弹性密封垫防水性能高,满足管片使用要求。

长距离硬岩地层的盾构隧道施工技术

深圳地铁3号线3102标段翠竹站-田贝站隧道左线所处地层以硬岩为主,区间以盾构法施工为主,矿山法施工为辅。在总结翠田左线施工经验的同时对盾构长距离穿越硬岩地层的施工方法和经验进行介绍,通过合理的配置刀盘刀具,以适宜的掘进模式选择合理的掘进参数及同步注浆参数,同时加强对刀具的管理,可以很好地解决盾构在长距离硬岩段遇到的技术难题。

敞开式TBM护盾半径适应性设计

为了研究敞开式岩石隧道掘进机(TBM)护盾半径与开挖洞径的适应性问题,建立护盾与洞壁接触理论模型;基于护盾与洞壁接触间隙的变化规律,结合有限元力学性能分析和实际工况,提出护盾半径的设计方法.结果表明:底侧护盾最下部应与最小洞壁保持5~10 mm的间隙,在水平位置附近与洞壁相切接触,护盾半径由开挖洞径上、下限共同决定;顶护盾的设计半径应比隧洞开挖半径小30~50 mm,其和洞壁的最大间隙与两者的半径差呈正相关关系,受开挖洞径大小影响微小;底护盾半径设计应保证护盾底部与最小开挖洞壁底部接触,护盾半径应比隧洞开挖半径小15~50 mm.

复合式土压平衡盾构机在高强度硬岩中的掘进技术分析与研究

硬岩局部侵入地铁隧道开挖断面,往往对盾构顺利掘进提出较大挑战。盾构通过硬岩段时存在的主要问题是滚刀非正常磨损严重,开挖系统综合性能大大降低,造成推进参数异常、贯入度小、掘进速度极低等问题。文章依托深圳地铁9号线工程,对复合土压平衡式盾构掘进通过高强度花岗岩地层时遇到的主要问题和原因进行了分析,提出了应对措施,通过合理配置刀具、及时更换刀具以及合理确定掘进参数确保了盾构安全顺利通过硬岩段。

地铁盾构区间过硬岩段造价分析

盾构穿越普通软土地层的工程费用计算方法已趋成熟,但对于穿越硬岩段时却无统一明确的计价依据。通过对盾构过硬岩段采用盾构直接掘进,对岩层进行爆破+盾构掘进,矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片,矿山法开挖初期支护并二次衬砌+盾构空推的4种施工方案分别进行技术探讨,并从工程造价角度对比分析,得出在几种可能的工程环境及条件下可采取的最优可行方案,以供参考。